[發(fā)明專利]一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜及其制備方法和在納米壓痕法中應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510069498.1
• 申請(qǐng)日: 2015-02-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104729897B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海斗;徐濱士;金國(guó);劉金娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N1/28
• 分類(lèi)號(hào): G01N1/28;G01N3/42
• 代理公司: 北京華圣典睿知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11510
• 代理人: 陳國(guó)偉

本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜，該薄膜主要用于壓痕法計(jì)算殘余應(yīng)力的大小，是一種金屬薄膜，所述金屬薄膜是通過(guò)物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積將該薄膜濺射或沉積在單晶晶體上，隨后去除晶體而得到。本發(fā)明還公開(kāi)了該無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的制備方法和在納米壓痕法中的應(yīng)用。本發(fā)明獲得的無(wú)殘余應(yīng)力的試樣薄膜與基底結(jié)合的界面應(yīng)力完全去除，且納米壓痕試驗(yàn)過(guò)程中，薄膜能夠無(wú)底面支撐，以防底面對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。該無(wú)殘余應(yīng)力的薄膜大大提高了納米壓痕測(cè)試法Suresh理論模型的適應(yīng)性和實(shí)用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料測(cè)試技術(shù)研究領(lǐng)域，具體的涉及一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜及其制備方法和在納米壓痕法中應(yīng)用。

背景技術(shù)

構(gòu)件在制造加工過(guò)程中的各種工藝因素以及加工過(guò)程的不均勻塑性變形，溫度的升降和化學(xué)或物理化學(xué)變化等會(huì)促使殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。納米壓痕試驗(yàn)法是一種較新的殘余應(yīng)力測(cè)試方法，具有極高的力分辨率和位移分辨率，測(cè)量過(guò)程對(duì)工件所造成的破壞小，測(cè)量方便、迅速，而且標(biāo)距很小，適于應(yīng)力梯度變化大的場(chǎng)合。目前，基于納米壓痕測(cè)試法的模型有Suresh理論模型、Yun-Hee模型、Swadener理論以及Xu模型等，其中Suresh理論模型最為常用。但是Suresh理論模型中的無(wú)應(yīng)力試樣很難獲得，該技術(shù)意在獲得無(wú)殘余應(yīng)力的薄膜試樣，以便計(jì)算薄膜的殘余應(yīng)力。

Suresh理論模型是使用尖銳壓頭來(lái)測(cè)量材料表面殘余應(yīng)力和殘余塑性應(yīng)變的一種方法。該方法假設(shè)殘余應(yīng)力和殘余塑性應(yīng)變?cè)谥辽俦葔汉鄞髱妆兜纳疃认率堑入p軸的、均一的，并假設(shè)殘余應(yīng)力對(duì)材料的硬度無(wú)影響，其假設(shè)模型如下式所示。

我們都知道，材料中存在的殘余應(yīng)力分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力，下面分兩種情況進(jìn)行介紹，當(dāng)存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，固定載荷大小時(shí)，殘余應(yīng)力的計(jì)算公式為(1-2)，固定壓痕深度時(shí)殘余應(yīng)力的計(jì)算公式為(1-3)。

式中：H-材料硬度；h₀，h分別為無(wú)殘余應(yīng)力和有殘余應(yīng)力時(shí)的壓深大小。A₀-無(wú)殘余應(yīng)力時(shí)的壓痕面積；A為有殘余應(yīng)力時(shí)材料表面的壓痕面積。當(dāng)材料中存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，固定載荷大小時(shí)，殘余應(yīng)力的計(jì)算公式為(1-4)，固定壓痕深度時(shí)殘余應(yīng)力的計(jì)算公式為(1-5)。

其中，α為錐形壓頭表面與接觸材料表面的夾角。對(duì)于Berkovich壓頭，α＝24.7°。因壓應(yīng)力會(huì)促使壓頭與試樣接觸，因此需要引入sinα，而不能直接改變式(1-2)和(1-3)中的符號(hào)來(lái)直接計(jì)算殘余壓應(yīng)力的數(shù)值，然后根據(jù)圖1中曲線的相對(duì)位置去判斷殘余應(yīng)力的符號(hào)。

Suresh模型的不足之處在于計(jì)算模型中要求無(wú)殘余應(yīng)力的參考試樣，但無(wú)殘余應(yīng)力的試樣很難得到。一些科研人員利用線切割的方法，將涂層從基底上切除下來(lái)，獲得無(wú)應(yīng)力試樣，還有一些人將制備好的涂層進(jìn)行退火處理，獲得無(wú)應(yīng)力試樣。但這兩種方法都有一定的缺陷，首先線切割方法不能將涂層與基底完整的剝離，而且機(jī)加工過(guò)程的擠壓、摩擦，產(chǎn)熱等會(huì)使涂層產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力；退火也不能完全去除其內(nèi)部的應(yīng)力，特別是界面應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜用于納米壓痕法，本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜。

本發(fā)明的另一目的是提供一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的制備方法。

本發(fā)明的還一目的是提供一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜在納米壓痕法中的應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，首先，本發(fā)明提供了一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜，該薄膜主要用于壓痕法計(jì)算殘余應(yīng)力的大小，是一種金屬薄膜，所述金屬薄膜是通過(guò)物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積將該薄膜濺射或沉積在單晶晶體上，隨后去除晶體而得到。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的制備方法，其具體步驟如下：